Komponenten eines Rechners Katrin Müller Komponenten eines Rechners

Gliederung Sachanalyse Didaktische Analyse Literatur John von Neumann Komponenten eines Rechners – Die „von Neumann“-Architektur Zentraleinheit CPU Der Speicher Das Bussystem Die Eingabe-/Ausgabeeinheit Didaktische Analyse Das Thema im Lehrplan Vorwissen der Schüler Lernziele der Stunde Verlaufsplan der Stunde Arbeitsmaterialien Literatur

Sachanalyse

John von Neumann (1903 - 1958) geboren in Budapest Mathematiker „Vater der Informatik“ veröffentlichte 1945 das „First Draft on a Report on the EDVAC“ Jude -> zuerst kein Mathe Abbildung 1: John von Neumann Quelle: Slanover 2007

The First Draft of a Report on the EDVAC Ein Text, der beschreibt welche Komponenten ein Rechner zwingend benötigt und wie sie anzuordnen sind Jude -> zuerst kein Mathe

The First Draft of a Report on the EDVAC Sein Text beschreibt welche Komponenten ein Rechner zwingend benötigt, wie sie anzuordnen sind und welche Aufgaben die einzelnen Teile besitzen. Jude -> zuerst kein Mathe

Die Neuerungen der von Neumann-Architektur Vorteil: Programm wird geladen und anschließend ausgeführt Nachteil: Interaktion zwischen Speicher und CPU wird langsamer ausgeführt als die eigentliche Berechnung Jude -> zuerst kein Mathe

Vorteile für den Programmablauf Das Rechner kann „denken“: erste Ergebnisse beeinflussen das weitere Vorgehen es können während der Bearbeitung Modifikationen durchgeführt werden Rechner trifft selbstständig logische Entscheidungen starrer Programmlauf flexible Programmsteuerung

Nachteile der sog. Flaschenhals (engl. bottleneck) alle Daten zur Berechnung werden aus dem Speicher geladen Die Geschwindigkeit zwischen der CPU und dem Speicher begrenzt die Verarbeitungsgeschwindigkeit

Wie sieht seine Architektur aus? Seine Architektur besteht aus folgenden Teilen: der Zentraleinheit dem Speicher der Ein- und Ausgabeeinheit dem Bussystem ursprünglich: central arithmetic part & central control (=C), memory (=M), input (=I), output (=O) –> sagt allerdings, dass Verbindungen wichtig sind!!!

Die von Neumann-Architektur Abbildung 2: Struktur eines von Neumann-Rechners Quelle: Oberschelp & Vossen 2000

Die Funktion der einzelnen Bestandteile die Zentraleinheit (CPU) besteht aus Daten- und Befehlsprozessor erreichbar durch Daten- und Adressbus

Die Funktion der einzelnen Bestandteile der Speicher Trennung von RAM und ROM RAM = Random Access Memory (lesen und schreiben möglich) ROM = Read Only Memory (wichtige Systemfunktionen: früher nur lesen möglich)

Die Funktion der einzelnen Bestandteile das Bussystem Bus = interner Datenweg verbindet funktionale Einheiten ermöglicht erst die Effizienz der Architektur

Die Funktion der einzelnen Bestandteile die Ein- und Ausgabeeinheit ermöglicht Kommunikation des Rechners mit der Außenwelt nicht nur Daten sondern auch Programme können in den Rechner geladen werden

Didaktische Analyse

Das Thema im Lehrplan Sprachebenen und Phasen eines Übersetzungsvorgangs erläutern, Komponenten eines Rechners in ihrem Zusammenwirken erläutern Abbildung 4: Lehrplan des Grundfaches Informatik Quelle: Oberschelp & Vossen 2000

Vorwissen der Schüler Schüler kennen: Hardware Festplatte, Graphikkarte, Arbeitsspeicher Ein- und Ausgabegeräte Software Betriebssystem, Office, Programme/Spiele

Lernziele der Stunde Vorstellen der noch immer aktuellen Rechnerarchitektur von Neumann´s Die Komponenten der Architektur und ihre Funktion kennen Die Anordnung der Komponenten durch ein selbst erstelltes Schaubild festlegen

Einordnung in didaktische Konzepte Baumann (1996) Leitidee, die nach Wirkprinzipien, Strukturen und Funktionsweisen von Informatiksystemen fragt Anwendung: Erschaffen mehrerer kleiner Teilsystem und anschließendes Zusammenfügen zu einem Netz

Einordnung in didaktische Konzepte Bußmann und Heimann (1987) Zeitgemäßes Weltbild Konzepte in aktuelles Weltbild einordnen Förderung von Phantasie und Kreativität Erstellen eines Schaubildes Fähigkeit zum kritischen Vernunftgebrauch Hausaufgabe deutet auch Nachteile des Systems an Harvard-Architektur als Alternative?!

Stundenentwurf Arbeitsblätter 1 und 2 für die Gruppe kopieren! Unterrichtsphase / Zeit Inhalte / Ziele Methode / Sozialform Gelenkstelle Medien / Material Einstieg (< 3 Minuten) Begrüßung Vorstellung des Themas: Komponenten eines Rechners LV Wer kann mir denn mal eine Komponente eines Rechners nennen? Erarbeitungsphase 1 (3 Minuten) Schüler nennen Komponenten, die an der Tafel ungeordnet angeschrieben werden Klassen-unterricht Ihr habt schon einige Komponenten genannt. In einem Film werden wir jetzt die Funktionsweise dieser und weiterer Komponenten nochmal ansehen. Dabei achtet ihr auf die genannten Komponenten und ihre Funktionen und Besonderheiten Tafel Erarbeitungsphase 2 (11 Minuten) Schüler schauen einen Auszug aus dem Film: Die Maus – Wie funktioniert ein Computer SA Welche Komponenten sind denn hier noch zusätzlich vorgekommen? Film: Die Maus - Wie funktioniert ein Computer Sicherungsphase 1 (5 Minuten) Die Begriffe an der Tafel werden ergänzt. Klassen-unterricht / EA Damit ihr noch einmal gezielter die Funktionen und die wichtigsten Komponenten vor Augen habt, lest euch das Arbeitsblatt durch und versucht in Partnerarbeit eine Skizze der von Neumann-Struktur zu erstellen Arbeitsblatt 1: Komponenten eines von Neumann-Rechners Erarbeitungsphase 3 (10 Minuten) Schüler lesen alleine den Text über die zusammengefassten Komponenten eines Rechners und die Funktion der einzelnen Komponenten Anschließend fertigen sie in Partnerarbeit eine Skizze an EA PA Wer möchte seine Skizze einmal an der Tafel vorstellen? Sicherungsphase 2 (10 MInuten) Die gezeichnete Skizze der Schüler wird durch die Klasse ergänzt und auf dem Arbeitsblatt verbessert Das scheint ein tolles Konzept zu sein, dass sich John von Neumann da ausgedacht hat. Doch er selbst hat damals schon eine Schwäche erkannt. Arbeitsblatt 2: The First Draft of a Report on the EDVAC Schlussphase (2 Minuten) Als Hausaufgabe lest ihr den Text und beantwortet mit Hilfe des Internets die Frage Vielen Dank für eure Mitarbeit Arbeitsblätter 1 und 2 für die Gruppe kopieren!

Film Die Maus – Wie funktioniert ein Computer

Stundenentwurf Unterrichtsphase / Zeit Inhalte / Ziele Methode / Sozialform Gelenkstelle Medien / Material Einstieg (< 3 Minuten) Begrüßung Vorstellung des Themas: Komponenten eines Rechners LV Wer kann mir denn mal eine Komponente eines Rechners nennen? Erarbeitungsphase 1 (3 Minuten) Schüler nennen Komponenten, die an der Tafel ungeordnet angeschrieben werden Klassen-unterricht Ihr habt schon einige Komponenten genannt. In einem Film werden wir jetzt die Funktionsweise dieser und weiterer Komponenten nochmal ansehen. Dabei achtet ihr auf die genannten Komponenten und ihre Funktionen und Besonderheiten Tafel Erarbeitungsphase 2 (11 Minuten) Schüler schauen einen Auszug aus dem Film: Die Maus – Wie funktioniert ein Computer SA Welche Komponenten sind denn hier noch zusätzlich vorgekommen? Film: Die Maus - Wie funktioniert ein Computer Sicherungsphase 1 (5 Minuten) Die Begriffe an der Tafel werden ergänzt. Klassen-unterricht / EA Damit ihr noch einmal gezielter die Funktionen und die wichtigsten Komponenten vor Augen habt, lest euch das Arbeitsblatt durch und versucht in Partnerarbeit eine Skizze der von Neumann-Struktur zu erstellen Arbeitsblatt 1: Komponenten eines von Neumann-Rechners Erarbeitungsphase 3 (10 Minuten) Schüler lesen alleine den Text über die zusammengefassten Komponenten eines Rechners und die Funktion der einzelnen Komponenten Anschließend fertigen sie in Partnerarbeit eine Skizze an EA PA Wer möchte seine Skizze einmal an der Tafel vorstellen? Sicherungsphase 2 (10 MInuten) Die gezeichnete Skizze der Schüler wird durch die Klasse ergänzt und auf dem Arbeitsblatt verbessert Das scheint ein tolles Konzept zu sein, dass sich John von Neumann da ausgedacht hat. Doch er selbst hat damals schon eine Schwäche erkannt. Arbeitsblatt 2: The First Draft of a Report on the EDVAC Schlussphase (2 Minuten) Als Hausaufgabe lest ihr den Text und beantwortet mit Hilfe des Internets die Frage Vielen Dank für eure Mitarbeit

Arbeitsblatt 1 Text, der nach Oberschelp & Vossen (2000) die Grundbestandteile eines von Neumann-Rechners beschreibt Arbeitsauftrag: Veranschauliche die Struktur eines von Neumann-Rechners!

Stundenentwurf Unterrichtsphase / Zeit Inhalte / Ziele Methode / Sozialform Gelenkstelle Medien / Material Einstieg (< 3 Minuten) Begrüßung Vorstellung des Themas: Komponenten eines Rechners LV Wer kann mir denn mal eine Komponente eines Rechners nennen? Erarbeitungsphase 1 (3 Minuten) Schüler nennen Komponenten, die an der Tafel ungeordnet angeschrieben werden Klassen-unterricht Ihr habt schon einige Komponenten genannt. In einem Film werden wir jetzt die Funktionsweise dieser und weiterer Komponenten nochmal ansehen. Dabei achtet ihr auf die genannten Komponenten und ihre Funktionen und Besonderheiten Tafel Erarbeitungsphase 2 (11 Minuten) Schüler schauen einen Auszug aus dem Film: Die Maus – Wie funktioniert ein Computer SA Welche Komponenten sind denn hier noch zusätzlich vorgekommen? Film: Die Maus - Wie funktioniert ein Computer Sicherungsphase 1 (5 Minuten) Die Begriffe an der Tafel werden ergänzt. Klassen-unterricht / EA Damit ihr noch einmal gezielter die Funktionen und die wichtigsten Komponenten vor Augen habt, lest euch das Arbeitsblatt durch und versucht in Partnerarbeit eine Skizze der von Neumann-Struktur zu erstellen Arbeitsblatt 1: Komponenten eines von Neumann-Rechners Erarbeitungsphase 3 (10 Minuten) Schüler lesen alleine den Text über die zusammengefassten Komponenten eines Rechners und die Funktion der einzelnen Komponenten Anschließend fertigen sie in Partnerarbeit eine Skizze an EA PA Wer möchte seine Skizze einmal an der Tafel vorstellen? Sicherungsphase 2 (10 MInuten) Die gezeichnete Skizze der Schüler wird durch die Klasse ergänzt und auf dem Arbeitsblatt verbessert Das scheint ein tolles Konzept zu sein, dass sich John von Neumann da ausgedacht hat. Doch er selbst hat damals schon eine Schwäche erkannt. Arbeitsblatt 2: The First Draft of a Report on the EDVAC Schlussphase (2 Minuten) Als Hausaufgabe lest ihr den Text und beantwortet mit Hilfe des Internets die Frage Vielen Dank für eure Mitarbeit

Hausaufgabe englischer Text nach dem Original von John von Neumann beschreibt authentischer, was er sich von seinem System erhofft nennt ein Problem der Architektur Aufgabenstellung: Erkläre das Problem, das John von Neumann als Flaschenhals an seinem System beschreibt

Einbettung in die Folgestunden Erklären des „Flaschenhalses“ des Systems Die Harvard-Architektur als weiteres Konzept: welche Vorteile/Nachteile hat sie gegenüber dem von Neumann´schen Konzept? Aktuell gibt es eine Kombination beider Architekturen in Computern

Literatur

Baumann, R. (1996): Didaktik der Informatik. Stuttgart. Becker, K. (2009): Informatik. Was ist Informatik. Internet: http://inf.burg-kl.de/index.php?punkt=informatik (3.6.2009) Bildungsserver Rheinland-Pfalz Informatik (2008): Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Informatik. Internet: http://www.kmk.org/fileadmin/veroeffentlichungen_beschluesse/1989/1989_12_01-EPA-Informatik.pdf (30.5.2009) Haubrich, H. (1997): Didaktik der Geographie konkret. München. Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Jugend und Kultur (o. J.): Lehrplanentwurf Informatik. Grund- und Leistungsfach – Einführungsphase und Qualifikationsphase der gymnasialen Oberstufe. Oberschelp, W. und G. Vossen (2000): Rechneraufbau und Rechnerstrukturen. München. Wien. Plate, J. (2008): Rechner-Peripherie. Ein- und Ausgabeschnittstellen. Internet: http://www.netzmafia.de/skripten/hardware/rp0/rp0.html (17.6.2009). Schwill, A. (1999): Informatik und Schule. Fachspezifische und fachübergreifende didaktische Konzepte. Berlin. Slanover, A. (2007): John von Neumann´s Extraordinary Life. Internet: http://www.sinc.sunysb.edu/Stu/aslanove/ (3.6.2009). Vogt, C. (2004): Informatik – Eine Einführung in Theorie und Praxis. Heidelberg. Von Neumann, J. (1945): First Draft of a Report on the EDVAC. Weller, C. (2007): Computer history online. Die ersten Computer. Internet: http://www.weller.to/his/h05-erste-computer.htm (3.6.2009) WP Wissensportal (2009): Schule und Bildung - Das Bildungsportal. Informatik in der Schule. Internet: www.schule.bayern.de/texte/Informatik.pdf (20.5.2009).

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